猎鹰9号火箭回收难度有多大?相当于在狂风中将笤帚竖立在手掌中

军迷圈官微
文|冯善智观察
对于马斯克来说,目前最科幻的业务就要数他的“太空探索公司”(SpaceX),这家公司的目标是研发降低太空运输成本的运载火箭和太空船,期盼最终实现人类移居火星的愿望。

一、太空探索公司
这家公司最著名的代表作就是“猎鹰9号”,我们以它为例,一次发射的花费报价为6200万美元,其中所耗费推进剂的费用为20万美元,仅为花费的0.4%,大部分发射费用都用在了制造火箭上。如果发射一次就报废实在是浪费。
如果火箭发射后能回收重复发射10次至100次,则将大幅降低执行太空任务的发射成本。马斯克之前也想过通过“展翼平飞”或“伞降”的方式回收,但只有“定点垂直降落”才能够实现快速回收和重复使用。不过这种看似最方便的方式是技术难度最大的,也最不容易成功的。

它的原型结构是在箭体底部安装4个收展式支架(垂直着陆用),顶部安装有4片格栅式启动翼(控制飞行姿态用),发射上升到一定高度后进行减速和定点着陆的控制。
“猎鹰9号”的火箭回收模式,是将形态“长细”的子一级火箭以垂直姿态“软着陆”竖立于指定的着陆区。箭体要克服高空、高速空气动力条件下的姿态控制,多次点火与发动机逆推,以及落地时的精确控制等难题,这是一项非常困难的技术。
马斯克曾经对“猎鹰9号”的回收进行过比喻:在狂风中将一把笤帚竖立在手掌中。
既然如此艰难,为什么还要坚持呢?这是因为“定点垂直降落”能够对火箭“无损伤和无污染”,保证其原本的功能部件不丢失,且便于维修,才能节省费用用于再次发射。
“猎鹰9号”最终于2015年的圣诞节前夕“众望所归”般获得了首次成功,遗憾地是它并没有创造人类历史纪录,因为在它成功的前30天,蓝色起源公司完成了首次回收太空飞行器的试验。

二、蓝色起源公司
蓝色起源公司是亚马逊集团专门用于开展太空旅游业务的下属公司。飞行器的全称为:“新谢泼德”号亚轨道飞行器。“新谢泼德”是为了纪念美国的宇航员先驱,“亚轨道飞行器”是因为飞行轨道没有突破卡门线。
所谓的“卡门线”就是外太空与地球大气层顶端的分界线,具体高度为100公里,飞行轨道高于卡门线就是太空轨道,反之则为亚太空轨道。
“新谢泼德”号亚轨道飞行器由一级式火箭模组与加压载人太空舱整合而成。火箭模组由1具液氢与液氧为推进剂的BE3发动机推动;加压载人太空舱拥有15立方米的舱内空间,可以搭载6名乘客,具备发射出现意外时需要的逃生系统。

它垂直上升至适当高度时,火箭模组与载人太空舱自动分离,火箭模组自动垂直降落于地面或海上平台,供回收重复使用;载人太空舱上冲至最高点后降落伞张开缓缓返回地面,太空舱中的观光乘客可在亚轨道太空享受数分钟的“失重”体验,观赏地球的美丽景色。
蓝色起源公司先后建造了3台“新谢泼德”号飞行器,陆续进行了9次试射。最终在马斯克这个“钢铁侠”成功的前一个月创造了历史。
三、两家公司“垂直火箭”技术的对比剖析
太空探索公司的“猎鹰9号”与蓝色起源公司的“新谢泼德”号都是“垂直起飞、垂直降落”方式回收,但两者的技术难度上有很大的差距,下面就来简单对比一下。

1、两者降落时的高度与水平距离不同,“新谢泼德”号降落时的高度约为100公里,与发射点的水平距离约为20公里;而“猎鹰9号”的高度为200公里,与发射点的水平距离为95公里。
从这个数字上可以看出,马斯克公司的产品性能更好,但随之而来的操作难度也更大。从长远看,“猎鹰9号”更胜一筹。
2、两者的燃烧速度不同,“新谢泼德”号的燃烧速度约为3马赫;“猎鹰9号”的速度约为7马赫,两者都必须在着陆前减速近乎到0才能实现软着陆,相比之下还是“猎鹰9号”的性能参数更加优秀。
3、两者的“长细比”不同,“新谢泼德”号的长度约为15米,直径3米,细长比为5;“猎鹰9号”的长度为33米,直径3.5米,细长比为9.43.
对于火箭来说,“长细比”越高,垂直下降过程中控制姿态就越困难,这也是SpaceX公司几次回收火箭都失败的原因,降落时太难控制了。

综合以上3点可以看出,两家公司都采取了“垂直起飞、垂直降落”的模式,但是马斯克的火箭性能参数更好,也更加难以操作。不过NASA为首的业内代表还是看好“猎鹰9号”的性能,目前一些国家也在进行“垂直起降”的相关试验,多数都在参照SpaceX公司的作品。
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